1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1998-08张亚国，梁伟，郭松峰，等 2022 黄土孔隙结构演化对其土水特性影响分析J 工程地质学报，30(6):19982005 doi:1013544/jcnkijeg20220578Zhang Yaguo，Liang Wei，Guo Songfeng，et al 2022 Analysis for effects of loess pore structure evolution on soil-water characteristicsJ Journal of En-
2、gineering Geology，30(6):19982005 doi:1013544/jcnkijeg20220578黄土孔隙结构演化对其土水特性影响分析*张亚国梁伟郭松峰王幼博李萍李同录(长安大学建筑工程学院，西安 710061，中国)(黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站，庆阳 745399，中国)(中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029，中国)(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)摘要作为黄土的关键水力参数之一，土水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土水特性影响分析。本文在陕西泾阳县
3、泾河南塬黄土剖面自上至下取 L1、L2和 L6黄土，通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征，通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上，利用滤纸法测定黄土 SWCC 曲线，对比分析黄土 SWCC 随埋深的变化规律。通过 Young-Laplace 方程将孔径转化为对应的吸力值，将 PSD 与 SWCC 曲线采用同一吸力坐标放置一起，分析黄土孔隙结构分布与 SWCC 的对应关系。结果表明:随埋深的增大，黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地，黄土 SWCC 的饱和段增长，进气值增大，过渡段变缓，持水能力增强。同时，在各层黄土取样位置取重塑土样，在确保制样含水
4、率和干密度与对应原状土一致的情况下，对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土水特性，发现随着土层埋深的增大，两者之间孔隙结构差异增大，SWCC 的差异也随之增大。关键词黄土;沉积过程;孔隙结构演化;孔隙分布曲线;土水特征曲线中图分类号:P642.13+1文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220578*收稿日期:20220726;修回日期:20221117基金项目:国家自然科学基金(资助号:42072311，41790442，41807242)，中央高校基本科研业务费专项项目(资助号:300102281202)，陕西省科技计划项目自然科学基础研究计划一般项目(资助号:2022
5、JM184)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42072311，41790442，41807242)，the Fundamentalesearch Funds for the Central Universities(Grant No 300102281202)and the Natural Science Foundation of Shaanxi Province(Grant No2022JM184)第一(通讯)作者简介:张亚国(1984)，男，博
6、士，副教授，主要从事非饱和土力学和基础工程方面的科研与教学工作 E-mail:yaguozhang29chdeducnANALYSIS FO EFFECTS OF LOESS POE STUCTUE EVOLUTION ONSOILWATE CHAACTEISTICSZHANG YaguoLIANG WeiGUO SongfengWANG YouboLI PingLI Tonglu(School of Civil Engineering，Changan University，Xian 710061，China)(Water Cycle and Geological Environment Ob
7、servation and esearch Station for Loess Plateau，Ministry of Education，Qingyang 745399，China)(Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)(School of Geological Engineering and Surveying，Changan University，Xian 710054，China)AbstractAs one of the key hydraulic p
8、arameters of loess，soil-water characteristic curve(SWCC)is affected bysoil pore structure characteristics However，it lacks the studies about the effects of loess pore structure evolution onits soil-water characteristics In this paper，L1，L2，and L6specimens were taken from the loess platform at thesou
9、thern bank of the Jinghe iver in Jingyang County，Shaanxi Province The evolution characteristics of loess porestructure during deposition were qualitatively analyzed through the scanning electron microscopy，and were quantita-tively analyzed using the pore size distribution(PSD)curves Meanwhile，the SW
10、CCs of each layer of loess weremeasured by filter paper method，and the variation regularities along the loess profile were analyzed by comparisonsof each other The pore sizes were transformed into the potential suctions through Young-Laplace equation，and thenthe PSD and SWCC curves were plotted toge
11、ther with the same suction coordinate，finally the dependency of PSDand SWCC curves were analyzed In details，the dominant pore sizes and their distribution densities decrease withsoil depth increase As a result，saturation sections and air entry values of SWCCs increased，and the transition sec-tions t
12、urned to be gentler，which implied that the increasing of water retention capacities In addition，comparingthe PSD and SWCC of remolded soil specimen with that of intact ones，it could be found that the difference in-creased with soil depths，although both of them had the same water contents and dry den
13、sitiesKey wordsLoess;Sedimentation process;Pore structure evolution;Pore size distribution curve;Soil-water char-acteristic curve0引言地表水入渗是黄土地区引起湿陷、滑坡和泥流等工程问题和地质灾害的主要诱因。由于黄土地区地下水埋藏深，地表水要穿过厚层包气带来补给地下水，因此黄土中水分运移以非饱和渗流为主。受沉积过程和沉积年代的影响，不同埋深处黄土的孔隙结构、含水状态及黏土矿物含量等均有所不同，使得不同层黄土的渗透特性也不一样;其中孔隙作为水分赋存空间及渗流通道，对黄土
14、渗透性影响尤为显著(李同录等，2019)。土水特征曲线(SWCC)一方面是确定黄土非饱和渗透性的关键参数，另一方面是建立黄土含水状态与力学特性(强度和变形)关系的函数，其中黄土含水状态又是与渗流过程联系一起的。由此可见，土水特征曲线是非饱和黄土关键的水力参数之一(张亚国等，2022)。目前针对黄土 SWCC 的研究成果诸多。对于压实黄土，张林等(2022)通过土柱一维瞬态渗水试验发现，随着黄土干密度增大，SWCC 曲线的排气值增大。蔡国庆等(2020)通过压力板仪、滤纸法和露点水势仪等方法联合测定了黄土 SWCC，发现干密度的增加导致土样进气值增加，失水速率降低。王宇等(2022)基于滤纸法测
15、得不同干密度下压实黄土全吸力范围内的 SWCC，研究结果显示干密度和制样含水率是影响压实黄土SWCC 的两个关键因素。实际上，土体干密度或制样含水率均是通过影响孔隙结构特征，进而影响土水特性的(李志清等，2006)。Li et al(2020)通过 Young-Laplace 方程将孔径转化为对应的吸力，将 PSD 与 SWCC 曲线通过共同的吸力坐标放置在一起，发现优势孔径与 SWCC 的过渡段有很好的对应性;潘登丽等(2020)研究洛川剖面的原状黄土得到了一致的结论。李同录等(2020)在黄土高原气候差异较大的泾阳、正宁及兰州和平镇 3 个地区，取马兰黄土试样并测定其孔隙结构及土水特征，阐
16、明了沉积环境对两者的影响。此外，部分学者还基于土体孔隙分布曲线，提出了土水特征曲线的预测模型(胡冉等，2013;侯晓坤等，2016;李强等，2021;张玉伟等，2022)。上述研究多是针对单一土层的孔隙结构特征与相应土水特性关系的描述，针对沉积过程中黄土孔隙结构的演化特征及其对土水特性的影响分析还鲜有报道。为此，本文在陕西省泾阳县泾河南塬黄土剖面上，取不同埋深的 3 层代表性黄土(L1、L2和 L6)，测定其 PSD 和 SWCC 曲线，并结合扫描电镜技术，对比分析随着土层埋深的增加，天然黄土孔隙结构演化对其土水特性的影响。在此基础上，制备与原状土具有相同含水率和干密度的重塑土样，测定其微观结构及 SWCC，分析两者在孔隙结构和土水特性方面的差异，进一步揭示天然沉积过程中孔隙结构和水力演化特征。1黄土基本物理参数在黄土剖面上从上至下取 L1、L2和 L6原状和重塑土样。对各层黄土基本物理指标进行测定，结果如表 1 所示。可见不同埋深黄土天然含水率均999130(6)张亚国等:黄土孔隙结构演化对其土水特性影响分析表 1土样基本物性指标Table 1Physical property in
